3.宇宙黑洞的教案

宇宙中的黑洞教学设计教学目的：理解黑洞的形成机理，掌握黑洞的分类，了解宇宙黑、白、虫三洞 教学重点：黑洞的探测与发现，致密恒星（黑洞）的喷流，黑洞的分类 教学难点：生成黑洞的机理课时分配：用于现代科学技术概论宇宙片的讲授，可参考下列课时分配一、黑洞的观测与发现0.5课时二、致密恒星（黑洞）的喷流0.5课时；三、黑洞的分类0.5课时；四、黑洞、白洞、虫洞及时空旅行0.5课时授课内容：宇宙中的黑洞课后讨论：1．历史上科学家对黑洞是怎样预言的？根据是什么？2．黑洞家族都有哪些成员，各有什么特点？3．探测黑洞的主要方法有哪些？4．目前已初步探测到哪些可能是黑洞的天体？5．通过上网浏览搜集关于“超级大黑洞”的报道资料，你从这些资料能够得 出怎样的认识和推断？6．通过上网浏览和查阅文献，归纳克尔黑洞的资料黑洞物理学是用物理方法研究黑洞的形成、结构及其运动规律的一门新兴学科，是天体物理学的一个分支。

对黑洞的研究、探讨不论对物理学还是天文学都具有重要意义。

1．科学家的预言黑洞早在18世纪就已提出，直到本世纪70年代才开始了广泛而富有成效的研究。

(1). 拉普拉斯预言的黑洞1798年，法国天文学家皮埃尔·西蒙·马奎·德·拉普拉斯（1749～l827年）提出： 一个密度如地球而直径为太阳550倍的天体，通过引力的吸引作用，可以将全部光线捕获，成为不可见的天体，成为人们看不见的“黑洞”。

拉普拉斯的预言，初看好像很“离奇”，其实它是建立在牛顿经典力学基础上的，可以用中学物理知识来加以理解。

我们知道，要想使人造地球卫星能绕地球运行，它的发射速度必须至少达到1V =RGM =7.9公里／秒，其中G 为引力常数，M 为地球质量，R 为地球半径。

V 1通常称为“第一宇宙速度”。

如果发射速度小于V 1，卫星就会被地球引力吸回地面。

如果我们想使飞船脱离地球，那么火箭发射速度必须至少达到2V =R GM 2=l1.2公里／秒，通常称为“第二宇宙速度”。

根据这个道理可以推测：如果一个天体，其质量很大而半径很小，则它的“表面脱离速度”就可达到光速；也就是说，连从它表面发射的光也要被引力吸住而跑不出去，那么其它运动物体也都跑不脱。

这个天体就是黑洞。

(2). 史瓦西预言的黑洞广义相对论预言，一定质量的天体，将对周围的空间产生影响而是使他们“弯曲”。

弯曲的空间会迫使其附近的光线发生偏转。

例如太阳就会使经过其边缘的遥远星体光线发生1.75弧秒的偏转。

由于太阳的光太强，人们无法观看太阳附近的情景。

1919年，一个英国日全蚀考察队终于观测到太阳附近的引力偏转现象，爱因斯坦因此成了家喻户晓的“明星”。

爱因斯坦创立广义相对论之后第二年（1916年），德国天文学家卡尔·史瓦西（1873～1916年）通过计算爱因斯坦方程后预言：如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点的周围存在一个界面──“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。

这种“不可思议的天体”后来被美国物理学家命名为“黑洞”。

史瓦西从“爱因斯坦引力方程”求得了类似拉普拉斯的结果，即一个天体的半径达到r =22cGM （M 是天体质量，c 是光速）时，连光线也无法逃脱它的引力。

还有一些科学家，根据其它近代引力理论也作出了同样的预言。

可见存在黑洞的预言是有不少理论根据的。

按照这些理论，要使我们的地球成为一个黑洞，就必须把它的半径压缩到只有几毫米！这从人们日常的经验来看，是不可想象的。

然而，这种威力无比的“压缩机”在自然界的确存在，这就是天体的“自身引力”。

天体一般存在“自身的向内引力”和“向外的辐射压力”。

如果压力大于引力，天体就膨胀；引力大于压力，天体就收缩（坍缩）；如果二力相等，天体就处于平衡状态。

对恒星而言，若质量大于2个太阳，则其引力坍缩的结局最终就形成黑恫。

自然界中不但存在形成黑洞的巨大压力，而且任何大质量的天体最终都逃脱不了这种坍缩的结局。

2．黑洞的观测与发现(1) .最引人关注的天鹅座X-1号的双星系统1966年探测到天鹅座X-1号星，发射出很强的X 射线。

1971年，X 射线天文卫星“自由号”在观察天鹅座X-1号星后证实：这是一个双星系统，看得见的那一颗是蓝色的超巨星；而看不见的伴星质量约为5倍太阳，体积却非常小，是一颗不发光而放射出强烈X 射线的奇异天体。

这个奇异天体已经超过了黑洞质量的“理论界限”，大概就是一个黑洞。

1976年11月美国发射的“高能天文台一2”号卫星，已经拍摄到这颗黑洞的照片。

这是第一个可能的黑洞。

(2) .第二个可能的黑洞第二个可能的黑洞是在银河系附近的一个星系中发现的。

天文学家确认，这个星系的X 射线源LMCX －3中含有一颗质量大约为10个太阳质量的黑洞，它与另一颗普通的星组成一个双星系统。

这颗致密暗星就是第二个可能的黑洞。

(3) .麒麟座X 射线新星A0620－001986年1月，在美国天文学会的休斯敦会议上，麦克林托克和雷米拉德宣布，他们发现了麒麟座X 射线新星A0620－00，它的质量至少是太阳质量的3倍，是目前发现的离地球最近的可能黑洞。

这是迄今被发现的第三个黑洞恒星。

(4) .遥远星系（M87）的中心黑洞最近报导，美国天文学会在一次会议上公布了哈勃太空望远镜拍摄的壮观照片，证实在一个遥远星系（M87）的中心处，有一个巨大的黑洞正把星体吸进去，喷发出由辐射与热气组成的湍流。

在这个星系中心有一个星体凝聚的像点那样的亮光源，距地球约5200万光年。

黑洞候选者一个个地发现，可以说硕果累累。

然而，科学家们也还不能完全排除这些候选者不是黑洞的可能性。

3．黑洞家族科学家们提出来的黑洞有多种，它们形成了黑洞家族。

(1).史瓦西黑洞如前所述的“史瓦西黑洞”属于“寻常黑洞”，它由恒星演化而来。

(2).大黑洞由爆发星系、类星体所形成的黑洞，称为“大黑洞”。

爆发星系的核和类星体是体积小、质量大的天体，它们的质量可以达到10 ⨯106个太阳。

关于大黑洞的形成说法不一，目前尚未得到观测上的证实，这将是今后若干年的一个重要研究课题。

(3).原始黑洞原始黑洞是20世纪70年代由霍金提出来的，质量比2个太阳小得多。

霍金还证明了小黑洞通过所谓“隧道效应”可以放射出物质和辐射。

小黑洞有如下特点：a.小黑洞“放出物质和辐射”意味着它具有温度一吨质量的小黑洞的温度为1020（1万亿亿）K，实在惊人！而寻常黑洞温度接近绝108（亿分之一）K。

对零度，冷得惊人。

例如一个晚期恒星形成的黑洞，温度≤-b.小黑洞的吸积效应小于发射效应由于发射效应超过了吸积效应，所以总的来说小黑洞的质量在不断减少，而温度则不断升高。

这种过程不断升级，直到黑洞完全蒸发掉为止。

这是原始黑洞区别于寻常黑洞的一个重要特征。

如果在我们的太阳系中能找到这种原始黑洞，那么便给我们提供了巨大的能源：从原始黑洞引出来的能量，能使人类跨过核能时代进入一个新的能源时代。

(4). 微型黑洞原苏联物理学家特罗缅柯于1991年又提出了“微型黑洞存在于一切空间”的假说，引起一些科学家的关注。

他认为这种微型黑洞在地球上也存在。

例如美国夏威夷群岛的火山之所以仍在活动，就是因为地球地幔中隐藏着微型黑洞，成为使岩浆处于沸腾状态的热源。

而微型黑洞所发射的中微子数量是太阳的1000倍，因此在火山内部较易观测到中微子。

黑洞有一个庞大的家族，他们的脾气、禀性还有很大差异，这些都是值得研究的。

4．黑洞白洞两兄弟黑洞概念已使人们感到非常新鲜，然而在60年代初又由诺维可夫和尼曼等人根据爱因斯坦广义相对论，提出了白洞的概念。

白洞是黑洞的相反过程。

黑洞是宇宙中的收缩区域，是吞食实物和光的“陷阱”；白洞却是字宙中的膨胀区域，各类高能物质乃至光线从这个源泉涌向字宙。

科学家们对于黑洞、白洞的研究提出了许多有趣的观点。

例如，建立黑洞和白洞连通结构，通过这样的超空间可以不费时地从宇宙的这边跳到那边。

黑洞白洞二者的存在并不矛盾，只是过程的两个端点而已。

黑洞是物质末期坍缩的终局，白洞是星系物质的伊始，只不过两种过程不是同时的，而是先后交错的。

还有人认为，宇宙物质不是单向衰老而消失，而是不断循环转化；黑洞状态虽然是物质坍缩的端点，但是进入黑洞的物质并非被消灭。

它们通过黑洞——白洞的连通转化为白洞状态。

5．仍是难解之谜黑洞的存在虽然有很多理论根据，科学家们也在千方百计地证实它，但至今尚无定论。

当前的观测及理论也给天文学和物理学提出了许多新问题。

例如，一颗能形成黑洞的冷恒星，它的密度已经超过了原子核本身的密度，这时的原子核可能已被压碎。

如果再继续坍缩下去，那么黑洞中的密度会超过核子，核子也可能已被压碎。

那么，黑洞中的物质基元是什么呢？另外，有什么斥力与引力对抗才使黑洞停留在某一阶段而不再继续坍缩呢？如果没有斥力，那么黑洞将无限地坍缩下去，直到体积无穷小，密度无穷大，内部压力也无穷大，这是物理学理论所不允许的。

关于白洞的起源至今仍还有两种不同的看法：一种是前面讲的认为白洞由黑洞转化而来，另一种则认为是来自字审大爆炸。

总之，目前我们对黑洞和白洞的本质的了解还很少，它们还是神秘的东西，很多问题仍需要进一步探讨。